KR101616417B1 - 하이브리드형 하수슬러지 처리 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하수처리장에서 수처리 후 버려지는 하수열을 회수하여 열에너지 교환효율이 높은 히트펌프(Heat Pump)와 태양열 집열을 통한 열을 슬러지 건조시스템에 사용함으로써 60%의 수분을 함유한 소화슬러지와 잉여슬러지를 포함한 저발열량(LHV: lower heating value) 2600kcal/kg이상의 열량을 갖는 에너지자원으로 회수하는 방법에 관한 것이다. 건조된 슬러지에 생활 폐기물로 발생되는 5500kcal/kg이상 저위발열량을 갖는 폐플라스틱과 3010kcal/kg이상 고위발열량을 갖는 건조된 음식물쓰레기(compost) 또는 4000kcal/kg의 저위발열량을 갖는 목분(wood chip)의 일정량을 조절하여 혼합 성형한 후 저위발열량 4500kcal/kg이상의 열량을 갖는 폐기물고형연료(RDF: refuse derived fuel)로 재생함으로써 하수 폐열원의 회수와 신재생에너지를 활용하여 생활폐기물과 슬러지를 재생 열 에너지원으로 활용하는 단위시스템들을 클러스터로 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지회수 공정 및 폐기물 재생 자원화 기술이다.

Description

하이브리드형 하수슬러지 처리 시스템{hybrid type sewage sludge treatment system}

본 발명은 폐기물을 열에너지 자원으로 회수하기 위한 폐기물고형연료의 제조 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하수슬러지를 이용한 폐기물고형연료 제조 기술에 관한 것이다.

화석에너지자원의 고갈과 고유가정책 때문에 에너지 단가가 상승하고, 이로 인한 에너지 비용절감이 요구되고 있다. 한편, 화석연료 사용에 따른 이산화탄소(CO₂) 방출은 지구의 이산화탄소 농도를 증가시키고, 이런 이산화탄소 농도가 일정 한계를 넘어 기후 온난화 문제가 생기면서 탄소배출권 거래제도가 현실화되고 있다. 이런 환경에 대응하고 버려지는 폐열에서 에너지를 회수하는 기술이 중요하게 되며, 플라스틱과 목분 등 생활폐기물을 열 에너자원으로 회수하기 위한 폐기물 자원화 기술들이 개발되고 있다.

우리나라도 경제가 급성장하면서 생활수준이 향상됨 따라 냉난방을 비롯한 생활에너지 사용량이 증가하고 인구의 도시집중으로 하수 처리량이 급증하고 있다. 하수 처리량의 급증에 따라 발생하는 슬러지의 양도 급증하여 그 처리가 문제로 대두되고 있다. 특히 바젤 협약(Basel Convention)으로 인한 폐기물의 해양배출 금지로 인하여 음식물 쓰레기나 하수슬러지의 처리가 더욱 문제가 되고 있다.

가령, 금지 시점 이전의 경기도의 하수슬러지 처리방법은 소각 35%, 해양배출 32%, 연료화 및 재활용 21%, 매립 12%였으나 해양배출금지 이후 소각 49%, 자원화 28%, 매립 20%로 소각과 매립처리에 따른 비용 또한 증가하는 실정이고, 수도권매립지 처리시설부족으로 처리에 있어서 많은 어려움을 겪고 있다.

또한, 하수처리장에서 발생되는 하수슬러지는 대부분 탈수단계를 거처 일부 수분을 함유한 상태로 민간위탁처리하고 있으며, 위탁처리율이 10%이상 증가하여 처리비용이 증가하고 이에 따라 환경비용 부담에 대한 갈등이 발생하고 있다.

하수처리장에서 발생되는 하수슬러지는 일반적으로 처리방법 및 탈수방법에 따라 77~82%의 수분을 포함하며, 이와 같이 하수슬러지를 처리하는 방법에는 수거 후 매립처리 방법과 소각처리 방법이 사용되고 있다.

그런데, 이런 하수슬러지를 소각 처리를 위한 함수율 60% 수준의 슬러지로 만들기 위해서는 추가적 건조과정이 필요하고, 이런 건조과정을 위해 많은 열에너지가 요구된다. 슬러지의 건조를 위해서는 1차 에너지원인 가스와 석탄 등 화석연료를 직접 연소시켜 발생하는 열을 활용하여 슬러지를 건조하는 방법과 화석에너지로부터 2차 에너지원인 전기에너지 발생시키고 전기에너지를 다시 열로 전환하여 슬러지를 건조하는 방법이 사용될 수 있다. 이때, 필요한 열에너지를 제공하기 위해 하수슬러지 건조시설에서는 많은 비용이 필요하고, 시설 운영상에 큰 어려움을 갖고 있다.

또한, 이와 같이 함수율 60% 수준으로 건조된 슬러지를 소각장치에서 소각처리하기 위해서는 슬러지와 함께 보조연료를 주입하여 연소시켜야 한다. 즉, 소각처리를 위해서는 건조 과정과 소각 과정에서 각각 화석에너지를 사용하여 이중으로 화석에너지가 소비된다.

따라서, 현재 대부분의 슬러지 처리방법에는 매립방식이 적용되고 있으며 건조하여 소각 처리하는 방법은 경제성이 떨어지기 때문에 일부에서 시범 운영되고 있지만 적용하는데 한계가 있었으며, 이러한 문제점을 해결하고자 다양한 연구와 개발이 진행되고 있다.

한편, 최근 음식물쓰레기를 포함한 유기성 폐기물의 해양투기가 불가능해지면서 사회문제로 대두되고 있다. 일부에서는 음식물쓰레기를 호기성미생물을 이용해 유기물을 분해하여 이산화탄소와 암모니아와 같은 부산물로 변화시켜 사료화하거나 부식토로 전환하여 퇴비화하는 방법이 사용되고 있으나 처리 효율과 비용문제로 현실성이 떨어진다.

따라서, 음식물쓰레기의 처리비용 분담을 위해 식물쓰레기 배출을 줄이고 배출량에 대한 종량제 방식의 비용부담이 시행되고 있지만 처리시설이 부족하고 다량의 염분을 포함하고 있어 처리에 어려움을 겪고 있다.

이를 문제를 해결하기 위해 음식물쓰레기에 대해 수세단계를 거처 파쇄와 비중선별, 탈수 건조 후 미생물 발효와 후부숙 처리와 일부 부원료를 투입하는 단계를 거쳐 음식물쓰레기를 퇴비화하는 공정이 개발되고 있다.

그러나, 퇴비화 할 수 있는 부숙도 조건에 맞추어 음식물쓰레기 연속처리공정을 진행하는 데 많은 시간이 소요되고 있다. 또한 그 생성물도 여전히 상당량의 염분을 포함하고 있어 실제 생성물을 퇴비로 사용하기 어려운 실정이고, 뿐만 아니라 불완전하게 분해된 생성물에서 발생되는 악취로 인하여 보관상에 어려움이 발생하여 음식물쓰레기의 퇴비화도 실제 적용하는데 한계가 있다.

또한, 근래에 나무를 연료로 사용하는 경우가 매우 줄어들면서 폐가구와 건축 폐목재, 가로수 전와 도로확장에 배출되는 가로목, 그리고 홍수 등으로 인한 유실목의 처리 문제가 발생하고 있다. 폐목재의 처리를 위한 방법으로서 폐목재로 목분 혹은 우드칩을 만들어 연료로 활용하는 방법이 있다. 폐목재 처리업체에서는 하절기에는 목분의 부패 등의 문제가 발생할 수 있으므로 생산한 목분을 바로 처리해야하는 어려움이 있다. 이런 문제점을 해결하기 위해 적극적으로 바이오메스 자원화가 연구 개발되고 있다.

대한민국등록특허 제10-1095819호: 태양열을 열원으로 하는 축열식공기가열기를 이용한 슬러지 건조장치. 대한민국등록특허 제10-1152298호: 정수슬러지 처리장치 및 방법 대한민국등록특허 제10-1189177호: 유기성 슬러지로부터 생성된 고액 슬러리의 폐열 회수 장치 및 그 방법

본 발명은 상술한 종래 하수슬러지 처리 및 활용 상의 문제점을 해결하기 위한 것이다.

보다 구체적으로, 본 발명은 상술한 종래의 하수슬러지 처리의 한계점들을 해결하기 위한 기존의 단위공정별 연구를 통합하고, 기존의 음식물쓰레기 처리나 바이오메스 활용의 문제와 연관시켜 이런 문제들을 동시에 해결하고 폐자원을 에너지 자원으로 회수하기 위한 것이다.

본 발명은 하수슬러지를 건조하는데 필요한 화석에너지를 최소화하고 하수처리과정에서 자연히 발생하거나 하수처리설비의 특성상 얻을 수 있는 열에너지를 이용하여 효율적 연속적 하수슬러지 건조를 할 수 있는 하수슬러지 처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 하수처리장의 하수슬러지와 함께 고열량의 폐플라스틱과 음식물쓰레기 및 바이오메스 활용 문제를 해결할 수 있는 하수슬러지 처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 하수슬러지를 처리함에 있어서 처리비용을 절감하고 환경문제를 효율적으로 해결하기에 적합한 하수슬러지 처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 시스템은

포기조(생물반응조), 포기 후 침전조, 소화조 및 탈수기를 가지는 하수처리설비,

열 매체가 채워진 순환배관을 구비하는 열교환설비,

상기 포기 후 침전조 혹은 그 후속 하수처리공간에서 하수로부터 열을 획득하고 상기 순환배관과 열교환을 통해 열 매체를 가열할 수 있는 히트펌프설비,

상기 소화조에서 발생한 가열성가스를 연소시켜 상기 순환배관과 열교환을 통해 열 매체를 가열할 수 있는 보일러,

상기 열 매체의 열을 건조공간에서 슬러지(하수슬러지)에게 전달하여 슬러지를 건조시킬 수 있는 가열용 히터

슬러지를 이송하여 상기 건조공간으로 투입 및 반출되도록 하면서 상기 가열용 히터로부터 열을 받아 슬러지 건조가 이루어질 수 있도록 하는 이송장치.

고열량물질을 공급하는 공급장치.

상기 이송장치로부터 슬러지를 공급받고 상기 공급장치로부터 고열량물질을 공급받아 혼합하는 혼합기,

혼합된 슬러지 및 고열량물질을 성형하는 성형기를 구비하여 이루어진다.

본 발명 시스템에서 태양열 집열기가 더 구비되어 히트펌프설비나 열교환설비의 열 매체 혹은 내부 순환수에 태양열을 전달하도록 설치될 수 있다.

이런 경우, 열교환설비의 순환 배관의 일부는 태양열 집열기를 통과하도록 이루어져 태양열을 전달받을 수 있으며, 이때 태양열 집열기는 내부 순환수의 흐름 순서상 히트펌프설비와 열교환이 이루어지는 위치 다음이면서 보일러와 열 교환이 이루어지는 위치 전에 설치되는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명 시스템에서 열교환설비의 순환배관 일부가 2개의 가지로 분기되는 분기부를 가질 수 있고, 분기부의 한 가지에는 히트펌프설비의 응축기를 포괄하는 열교환기가 설치되고, 분기부의 다른 가지는 태양열 집열기를 통과하면서 태양열을 받도록 이루어질 수도 있다.

본 발명 시스템에서 혼합기에 고열량물질을 공급하는 공급장치는 음식물쓰레기 공급장치, 폐합성수지 공급장치, 목분 공급장치 가운데 적어도 하나를 구비하여 이루어질 수 있다.

본 발명 시스템에서 고열량물질 공급장치에 음식물쓰레기 공급장치가 포함되는 경우, 본 발명 시스템은 음식물쓰레기가 포함되는 성형물(펠릿)을 소각하기 위한 850℃ 내지 950℃의 소각로 온도를 가지는 소각로 혹은 소각장이 더 포함되어 이루어질 수 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 처리방법은 본 발명의 처리 시스템을 통해 슬러지를 처리함에 있어서,

상기 이송장치가 상기 하수처리설비로부터 함수율 75% 내지 85%의 슬러지를 수거하여 상기 건조 공간을 경유하여 상기 혼합기로 이송하고,

상기 히트펌프설비를 통해 상기 하수처리설비의 상기 포기 후 침전조나 그 후속의 하수처리공간에서 온도 18℃ 내지 30℃의 하수로부터 열을 획득하여 상기 열 매체로 전달하여 상기 열 매체를 온도 50℃ 내지 60℃로 가열하고,

상기 온도 50℃ 내지 60℃의 열 매체를 상기 보일러로 온도 100℃ 이상 120℃로 이하로 가열하고,

상기 건조공간에서 상기 건조용 히터가 상기 고온수에서 상기 함수율 75% 내지 85%의 하수슬러지로 열을 전달하여 건조시킴으로써 함수율 60~65%의 하수슬러지를 얻고,

상기 함수율 60~65%의 하수슬러지를 상기 고열량 폐기물 공급장치에서 공급받은 고열량 폐기물과 혼합하고 성형하여 소각용 펠릿을 얻는 과정들을 구비하여 이루어진다.

본 발명 방법에서 상기 가열설비의 순환 배관 일부에 태양열 집열기가 열 교환 가능하게 설치되어 태양열이 상기 내부 순환수에 전달되는 태양열 전달 과정이 더 구비될 수 있으며, 이때, 내부 순환수가 제2 열교환기를 지나고 보일러 전인 위치에 태양열 집열기가 설치되고, 상기 태양열 집열기에서 태양열이 상기 내부 순환수에 전달되는 태양열 전달 단계에서는 내부 순환수 온도가 80℃ 내지 90℃가 되도록 가열이 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 열교환기들과 히트펌프를 통해 포기조(생물반응조)에서의 하수처리가 이루어진 18℃ 내지 30℃의 하수가 가지게 되는 열을 회수하고, 가열설비의 순환수의 온도를 높이고, 다시 하수처리과정에서 발생한 가연성 기체를 이용한 보일러를 통해 순환수를 가열하고 온도를 높여, 고온의 순환수를 하수처리설비에서 얻는 고함수율 하수슬러지 건조에 사용하여 소각에 보다 적합한 함수율 60% 부근의 하수슬러지를 얻을 수 있다.

또한, 하수슬러지 외에 문제가 될 수 있는 폐합성수지, 음식물쓰레기, 목분과 같은 고열량물질을 하수슬러지와 혼합하여 소각로에 적합한 에너지 준위의 소각용 고형연료, 가령 5000kcal/kg이상의 저위발열량을 갖는 폐기물고형연료(RDF: Refuse derived Fuel) 펠릿을 만들고, 이를 태워서 발생하는 에너지를 다시 사용할 수 있게 된다.

결국, 본 발명에 따르면, 문제가 되는 폐기물을 환경상의 별다른 문제없이 처리, 제거할 수 있고, 이 과정에서 다시 에너지를 얻어 사용할 수 있게 된다.

도1은 본 발명 시스템의 일 실시예에서 시스템 요소들 사이의 관계를 나타내는 개략적 시스템 구성도,
도2는 본 발명 시스템의 일 실시예에서 시스템 요소들 사이의 에너지 및 물질 흐름을 개략적으로 나타내는 개념도,
도3은 본 발명의 일 실시예의 한 요소를 이루는 하수처리장에서 발생되는 소화슬러지와 잉여슬러지의 건조시간에 따른 수분함량을 측정한 그래프,
도4는 도3과 같은 하수처리장에서 발생되는 소화슬러지와 잉여슬러지의 수분함량에 따른 고위발열량과 저위발열량을 측정한 그래프이다.
도5는 도3과 같은 하수처리장에서 발생되는 소화슬러지와 잉여슬러지의 건조율에 따른 저위발열량을 비교한 그래프이다.
도6은 도3과 같은 하수처리장에서 발생되는 잉여슬러지의 건조율에 따른 고위발열량과 저위발열량을 비교한 그래프이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

도1, 도2를 참조하면, 본 시스템은 포기조(생물반응조:11), 포기 후 침전조(13), 농축조(15), 소화조(17) 및 탈수기(19)를 가지는 하수처리설비, 열 매체가 채워진 순환배관(41)을 구비하는 열교환설비(40), 포기 후 침전조(13) 후속의 하수 방류관에서 방류수(하수)로부터 열을 획득하고 순환배관(41)의 열 매체를 가열하는 히트펌프설비(30), 태양광으로부터 열을 획득하여 순환배관의 열 매체를 가열하는 태양열 집열기(50), 소화조(17)에서 발생한 가열성가스를 파이프를 통해 전달받아 이 가스를 연소시켜 순환배관(41)의 열 매체를 가열하는 보일러(45), 보일러(45)에서 가열된 열 매체의 열을 건조공간(60)에서 슬러지(하수슬러지)에게 전달하여 슬러지를 건조시키는 가열용 히터(47), 슬러지를 이송하여 건조공간(60)으로 투입 및 반출되도록 하는 이송장치(65). 고열량물질로 음식물쓰레기, 폐합성수지, 목분을 각각 혹은 조합하여 공급할 수 있는 공급장치(80). 이송장치(65)로부터 받은 슬러지와 공급장치(80)로부터 받은 고열량물질을 혼합하는 혼합기(70), 혼합된 결과물을 성형하는 성형기(90)와 성형기에서 얻은 결과물(소각용 연료)를 연소시키는 소각로 혹은 소각장(120)를 구비하여 이루어진다.

하수처리설비(10)는 통상 유입된 하수를 침사지, 포기 전 침전조, 포기조(11), 포기 후 침전조(13), 방류관을 통해 외부로 다시 방출하게 되며, 침전조에서 바닥에 침전된 생슬러지나 활성슬러지는 농축조(15), 소화조(7), 탈수기(19)를 거쳐 함수율 80%(질량%) 전후의 슬러지를 배출하게 되며, 각 요소의 구성과 기능은 일반적으로 잘 알려져 있다.

하수처리설비의 포기 후 침전조(13)를 거처 방류펌프와 방류관을 통해 방출되는 방류수(하수)는, 포기조(11)에서 하수의 미생물처리를 위해 미생물 생육환경에 적합한 18℃ 내지 30℃를 통상적으로 유지해야 하므로, 주변에 비해 획득할 수 있는 열을 가지고 있는 상태라 할 수 있다. 포기조(11)의 온도는 추운 계절에는 난방을 통해 인위적으로 공급되는 열과 미생물이 하수의 유기물을 분해하는 과정에서 발생되는 열에 의해 유지한다.

방류수로부터 열에너지를 회수하여 순환배관(41)의 열매체로 전달하기 위해 히트펌프설비(30)가 사용된다. 히트펌프설비(30)는 열전달설비(40)와 비슷하게, 자체의 열 매체를 포함하는 순환배관을 구비하고, 순환배관 상에 압축기(35), 응축기(37), 팽창변(31), 증발기(33)가 순서대로 배치되어 이루어지며, 이때 히트펌프설비(30)의 열 매체는 기체와 액체의 상태 변화가 용이하고 잠열이 큰 것을 사용할 수 있다.

방류관 내에 증발기를 설치하여 하수처리설비(10) 혹은 하수와 히트펌프설비(30) 사이에 열전달이 이루어지도록 한 부분을 제1 열교환기(21)라고 볼 수 있다. 즉, 제1 열교환기(21)는 방류수 배관의 일부와 히트펌프설비(30)의 순환 배관 가운데 증발기(33)에 해당하는 일부가 일정 구간에서 열적으로 서로 교류하도록 접촉시킨 형태로 이루어진다.

이 구간에 걸쳐서 제1 열교환기(21) 내부의 열 매체 흐름과 방류수 흐름이 서로 반대되도록 설치하는 것이 바람직하며, 히트펌프설비에서 증발기를 이루는 배관벽 및 방열핀을 통해 방류수의 열이 히트펌프설비의 열 매체로 전달 혹은 회수되어 열 매체의 온도가 방류수의 온도에 가까운 18℃ 내지 25℃가 되도록 할 수 있다.

열교환기는 통상 다관식 열교환기(shell & tube heat exchanger), 자켓식 열교환기(jacketed type heat exchanger), 스파이럴 열교환기(spiral heat exchanger), 판형식 열교환기(plate heat exchanger), 판코일식 열교환기(plate coil heat exchanger) 등으로 이루어질 수 있다.

압축기(35)의 구동에는 외부의 전기 에너지가 사용될 수 있다. 증발기(33)와 응축기(37) 부분은 개념적인 일 관점에서 열교환기의 일부를 이루고 있다. 도시된 바에 따르면 여기서 응축기(37)도 배관벽과 방열핀을 통해 열교환설비(40)의 열 매체로 히트펌프설비의 열 매체의 응축열을 배출하는 역할을 한다.

따라서, 히트펌프설비(30) 전체로 보면 증발기(33)에서 방출수의 열을 회수하여 응축기(37)를 통해 열교환설비(40)의 내부 순환수(열 매체)에 열을 전달하여 내부 순환수가 55℃ 정도의 온도가 되도록 한다.

내부 순환수는 순환배관(41)을 돌며 다음에는 태양열 집열기(50)를 통과하게 된다. 태양열 집열기(50)에서는 태양광으로부터 얻은 열을 열교환을 통해 내부 순환수를 가열하여 내부 순환수의 온도가 80℃ 내지 90℃가 되도록 한다. 지상에서 단위면적당 얻어지는 태양에너지는 일정하므로 내부 순환수를 충분히 가열하기 위해 태양열 집열기는 설치에 상당한 면적을 필요로 한다.

한편, 하수처리설비(10)가 설치된 공간은 통상 지면 이하가 되고 하수처리설비(10)가 설치되는 면적은 상당히 큰 것이므로 하수처리설비가 설치되는 지역의 위쪽 지상 공간을 활용하여 태양열 집열기를 설치하는 것이 토지 이용상 바람직하다.

태양열 집열기(50)와 그 내부에서의 열교환 방식은 기존에 알려진 다양한 형태를 이용할 수 있다. 가령, 투과체와 흡수판 열매체관 단열재로 구성되는 평판형 집열기, 단일진공관과 2중진공관으로 구성되는 진공관형 집열기, 포물선형상의 반사판과 흡수판의 역할을 하는 집열관을 갖는 PTC(parabolic trough concentrator)형 집열기, 일사광선을 집광하여 직달 및 산란일사를 집열하는 CPC(compound parabolic concentrator)집열기 등을 이용할 수 있다.

본 시스템에서는 히트펌프설비(30)와 태양열 집열기(50)가 열교환설비(40)의 순환배관(41) 상에서 직렬로 설치되고 있지만, 실시예에 따라서는 열교환설비의 순환배관의 일부 구간이 두 가지로 나뉘어 이루어지고, 한 가지는 히트펌프설비와 열교환을 이루고, 다른 가지는 태양열 집열기와 열교환을 이루도록 하여, 두 가지가 합류되면서 내부 순환수는 섞여 온도가 평균적으로 80℃ 내지 90℃가 되도록 병렬배치를 할 수도 있다.

태양열 집열기(50)로부터 열을 받은 내부 순환수는 순환배관(41)을 따라 흐르면서 보일러(45)를 통과하게 된다. 보일러(45)는 연료를 연소시켜 열을 얻고 이 열을 내부 순환수에 전달하여 내부 순환수가 100℃ 내지 120℃ 정도로 가열되도록 한다.

보일러의 연료는 통상의 화석연료를 사용할 수 있고, 여기서는 하수처리장치의 소화조(17)에서 발생한 가연성가스를 사용한다. 소화조(17)에서 발생하는 가연성가스는 계절 등 주변 환경 변화에 따라 발생량이 변이될 수 있으며 양이 충분하지 못할 수 있으므로 보충적인 연료를 더 투입할 수 있도록 여기서는 도시되지 않은 연료공급관을 더 가질 수 있다.

하수처리설비(10)에서 함수율 75% 내지 85%의 슬러지를 방출하는 과정을 살펴보되 포기 후 침전조(13)의 활성슬러지를 위주로 살펴보면, 많은 유기물을 포함하는 하수가 미생물처리를 위해 포기조(11)로 공급된다. 포기조에서는 호기성미생물의 활발한 증식과 생육을 위해 공기(산소)를 충분히 공급하고, 온도를 가령 18℃ 내지 30℃로 유지시킨다. 온도 유지를 위해서는 하수에 열을 공급할 수 있다.

호기성미생물은 하수 내의 유기물을 흡착하고, 산소를 이용하여 빠르게 분해하면서 번식, 생육하게 된다. 충분한 미생물 생육이 이루어지면 하수는 유기물 함량이 줄어들고 생화학적 산소요구량이 줄어들어 정화된 상태가 되어 포기 후 침전조(13)로 이동된다. 이 침전조(13)에서는 과잉된 미생물 개체와 하수 내에서 흡착 유기물과 서로 엉겨 군체를 이루면서 중력에 의해 침전조(13) 바닥에 침전되어 슬러지를 이루고 그 위쪽의 정화된 하수는 방류펌프, 방류관을 거쳐 외부 하천 등으로 방류된다.

슬러지는 일부가 포기조(11)의 미생물 공급을 위해 환류되고, 잉여 슬러지는 생슬러지와 함게 농축조(15)로 보내져 중력을 이용한 침전방식으로 일부 수분을 제거한 뒤 농축 상태로 다시 소화조(17)로 보내진다.

소화조(17)는 대개 혐기성소화조를 의미하며, 산소를 차단한 환경에서 이루어진다. 혐기성 세균이나 미생물은 유기물 내의 산소 및 아질산염, 질산염, 황산염 등에서 산소를 이용하고 부산물로 주로 메탄으로 이루어진 가연성가스가 발생된다. 이 과정에서 불필요한 박테리아를 사멸시키고 고형물질을 감소, 유기물 함량 감소가 이루어지고 상태가 안정화된다.

소화된 슬러지는 탈수기(19)로 운반되고, 탈수기(19)에서는 벨트프레스나 진공여과 원심분리 등의 방법으로 고액분리를 통해 슬러지의 고형화를 촉진하고, 함수율 75% 내지 85%의 슬러지를 얻어 방출하게 된다.

방출되는 슬러지는 이송장치(65)를 통해 건조 공간(60)으로 이동되고, 건조공간(60)에서 건조되어 함수율 60% 전후의 슬러지가 된다. 이송장치(65)는 컨베이어 벨트 등의 연속적인 이송장치가 되는 것이 바람직하고, 이 경우, 연속 이송 중에 건조 공간(60)의 건조용 히터(47)를 통해 열을 전달받아 건조가 이루어질 수 있도록 한다.

열교환설비(40)의 순환배관(41)의 건조용 히터 부분에 초기에 들어오는 내부 순환수는 보일러(45)에서 가열된 100℃ 내지 120℃의 온도이며, 이 내부 순환수에 포함된 열을 건조용 히터(47)를 통해 연속 이송되는 슬러지에 주어 슬러지를 건조시킨다.

도시된 바와 다르지만, 건조 공간(60)에서 이송설비(65)는 하수슬러지를 연속적으로 이송하며, 건조용 히터(47)와 이송설비(65), 가령 컨베이어 벨트는 일정 구간에서 열적으로 접촉을 이루되, 건조용 히터에서 고온 열 매체가 흐르는 방향과 이송설비에서 슬러지가 이동하는 방향은 서로 역방향을 이루어, 더 높은 온도의 열 매체가 함수율이 낮고 온도가 높은 슬러지에 열을 주고, 식어서 낮은 온도가 된 열 매체가 함수율이 높고 온도가 낮은 슬러지에 열을 주도록 이루어질 수 있다.

슬러지의 연속 이송 및 건조를 위해서는 티스크식 건조장치, 이송스크류식 회전축열전달식 건조장치, 벨트식기류 건조장치, 감압식 이송건조장치 등이 사용될 수 있다.

<실험예 1>

건조용 히터를 통해 건조되는 슬러지의 최적 함수율을 얻기 위하여 하수처리설비에서 발생된 소화슬러지와 침전조의 잉여슬러지를 통상 탈수 상태로 일정량을 채취하여 105℃의 온도조건으로 건조하면서 건조시간에 따른 건조율을 조사하였다.

도 3은 하수처리설비에서 발생되는 소화슬러지와 잉여슬러지의 건조시간에 따른 수분함량을 측정한 그래프이다. 건조율은 건조시간에 따라 증가하였으며 건조 초기부터 3시간 동안, 건조했을 때 건조효율이 가장 좋았고, 이후 건조율이 떨어지면서 총 5시간 동안 건조시켰을 때 건조율은 90%로 나타났다.

이와 같이 건조 초기 3시간까지 건조효율이 높은 이유는 슬러지 표면에 존재하는 물분자간 표면장력에너지 이상의 에너지가 가해질 경우 낮은 에너지로도 수분을 탈착시킬 수 있기 때문이다. 슬러지의 성상에 따른 건조효율은 소화슬러지의 건조율이 잉여슬러지의 건조율 보다 다소 높게 나타났으며, 건조율 50%를 확보하는데 건조시간은 최소 3시간 정도 필요한 것으로 나타났다.

여기서, 함수율 80%의 슬러지는 3시간 건조 후 60% 건조율을 보여 나머지 40%의 물은 32질량부에 해당하고, 처음에 존재하던 슬러지 고형분은 20질량부로 유지되므로 이는 함수율 62%의 슬러지에 해당한다. 잉여 슬러지와 소화 슬러지의 건조율 차이와 같이 슬러지 속성에 따른 건조율의 차이를 고려하여, 효율적인 건조가 이루어질 수 있는 슬러지 함수율 한계는 60 내지 65%로 산정할 수 있다.

이송장치(65)는 함수율 60% 전후로 건조된 슬러지를 혼합기(70)로 공급하고, 고열량물질 공급장치(80)는 고열량물질을 혼합기로 공급하여 혼합기가 혼합하도록 한다. 여기서, 고열량물질 공급장치는 건조된 음식물쓰레기를 공급하는 음식물쓰레기 공급장치와 목분 공급장치 및 높은 열량을 가지는 폐합성수지 공급장치의 조합으로 이루어지며, 혼합기에서의 균일 혼합을 위하여 이들은 입도가 낮은 파우더 상태나 펠릿 혹은 펄프 상태로 공급될 수 있다.

전체의 고열량물질 공급장치(80)는 각 공급장치의 밸브 개방도를 조절하거나 호퍼의 크기를 조절하거나, 고열량물질을 이송하는 스크류의 속도를 조절하는 방법 등으로 고열량물질 내에서의 각 성분의 조성, 혼합기의 결과물 내에서의 각 성분의 조성을 임의의 조성비가 되도록 조절할 수 있다.

각각의 고열량물질은 통상적으로 서로 발열량이 다르므로 이들과 슬러지의 조성비는 혼합물로 만들어지는 소각용 고형연료의 발열량과 밀접하게 관련된다.

실험들을 통해 슬러지는 2600kcal/kg의 열량을 포함한 하수슬러지의 자원화에 적합한 것으로 판단되었고, 여기에 30%(질량%)이하의 수분(바람직하게는 10% 이하의 수분)과 1.2%의 염분을 갖는 3010 kcal/kg열량을 갖는 음식물쓰레기와, 4000kcal/kg의 저위발열량을 갖는 목분 그리고 5500kcal/kg의 발열량을 갖는 폐플라스틱의 혼합조절을 통해 4500kcal/kg의 저위 발열량을 갖는 RDF(페기물고형연료)의 생성이 가능하다는 결과를 얻었다.

혼합 결과물은 상당량의 물을 포함하고 성형이 가능하므로 이 상태에서 성형기(90)에 투입하여 일정 크기와 형태의 고형연료 펠릿으로 성형한다. 펠릿의 크기와 형태는 표면적과 용적의 비율을 달리하여 소각의 속도와 관련될 수 있으므로 소각로 소각에 적합하도록 정한다.

펠릿의 성형이 이루어지면 펠릿은 건조장에서 더욱 건조하여 단위 질량당 발열량을 높이고 크기와 형태가 안정화되도록 한다. 펠릿 내의 함수량은 소각 시에 증발을 위해 열을 손실시키는 역할을 하므로 함수량은 5질량% 이하로 하는 것이 바람직하며, 비교적 긴 기간 동안 자연건조 및 보관장(110)에서 자연건조시키는 방법으로 최종 폐기물고형연료를 얻게 된다.

<실험례 2>

실험례 1에서와 같이 잉여슬러지와 소화슬러지를 얻고 탈수 건조하여 수분함량과 가연분, 연소 후 회분을 분석하여 표 1에 나타내었다. 실험례에 나타낸 잉여슬러지의 경우 탈수 건조 후 수분함량이 81.54%이고 가연분이 10.73%, 연소 후 회분이 7.73%를 함유한 것으로 나타났다.

소화슬러지의 경우 탈수 건조 후 수분함량은 76.68%이고 회분함량과 가연분이 6.04%와 17.28%로 잉여슬러지보다 수분함량과 회분의 함량이 낮은 것으로 나타났다.

구분	시료	건조 전 시료(g)	건조 후 시료(g)	수분 함량(%)	가연분(g)	연소 후 건량기준 회분[g]
실험례	잉여슬러지	66.12	12.04	81.79	7.10	5.11
비교예 1	잉여슬러지	128.13	23.55	81.62	13.75	9.90
비교예 2	잉여슬러지	144.49	26.50	81.66	15.5	11.17
실험례	소화슬러지	215.01	49.96	76.76	37.15	12.99
비교예 3	소화슬러지	163.27	37.91	76.78	28.21	9.86
비교예 4	소화슬러지	126.53	29.37	76.79	21.86	7.64

<실험례 3>

잉여슬러지와 소화슬러지의 고위발열량과 저위발열량을 확인하기 위해 각 건조시간별로 얻어진, 수분함량이 서로 다른 시료를 연소하여 도 4a 및 도 4b에 나타내었다.

도 4a는 잉여슬러지와 소화슬러지의 고위발열량을 나타낸 그래프로 건조시간이 증가하여 수분함량이 낮을수록 고위발열량은 증가하였으며 건조시간에 따라 소화슬러지의 발열량이 잉여슬러지의 발열량보다 약 14~20%정도 높게 나타났다. 건조시간이 5시간이었을 때 고위발열량은 총 발열량의 88%로 나타났다.

도 4b는 잉여슬러지와 소화슬러지의 저위발열량을 비교한 그림으로 각각의 건조시간에 따른 시료의 저위발열량은 고위발열량보다 약 12~20%낮게 나타났다. 잉여슬러지와 소화슬러지의 저위발열량은 고위발열량과 유사한 경향을 보이고 있다.

<실험례 4>

도 5는 하수처리설비에서 발생되는 소화슬러지와 잉여슬러지의 건조율에 따른 저위발열량을 비교한 그래프이다. 소화슬러지와 잉여슬러지의 건조율에 따라 저위발열량은 1차적으로 비례하는 선형관계로 나타났으며 저위발열량이 2600kcal/kg을 얻기 위해서는 건조율 80%이상을 유지해야한다.

도 6은 하수처리장에서 발생되는 잉여슬러지의 건조율 따른 저위발열량과 고위발열량을 비교한 그래프이다. 잉여슬러지의 발열량은 건조율이 낮은 조건에서는 저위발열량과 고위발열량의 차이가 크게 나타났으나 건조율이 증가할수록 저위발열량이 고위발열량에 근접한 값을 보이고 있다. 이 결과로부터 하수슬러지의 건조율에 따른 발열량을 조절할 수 있는 기초자료를 제공할 수 있다.

<실험례 5>

수분을 함유하고 있는, 나트륨함량 1.2%이하이며 부숙도 5이하인 음식물쓰레기의 수분함량과 연소 후 건량기준 회분량을 확인하기 위해 실시예와 비교예를 통해 분석하여 표 2에 나타내었다. 음식물쓰레기의 건조 전후 무게 변화를 통해 수분함량이 평균 26%로 나타났으며, 연소 후 건량기준 회분함량은 14.41%, 습량기준 회분 함량은 10.63%로 다량의 무기질이 포함되어 있음을 확인하였다. 음식물쓰레기의 고위발열량과 저위발열량을 비교한 표 3으로부터 가연분이 63.17%인 음식물쓰레기의 고위발열량은 3167.34 kcal/kg, 저위발열량은 3010.14 kcal/kg로 나타났다.

구분	건조 전 시료(g)	건조 후 시료(g)	수분함량(%)	가연분(g)	연소 후 건량기준회분[g]
실시예	176.38	128.32	27.25	81.06	25.41
비교예 5	170.25	126.28	25.83	79.77	24.53
비교예 6	171.50	127.75	25.51	80.70	24.71

구분	가연분(%)	고위발열량(Hh)[kcal/kg]	저위발열량(Hi)[kcal/kg]
실시예	63.17	3167.34	3010.14

자연건조 및 보관장(110)에서 얻어진 RDF(페기물고형연료)는 내부에 음식물 쓰레기에 의한 염분을 일부 포함하고 있으므로 환경호르몬 물질의 문제가 없도록 850℃ 내지 950℃의 소각로 온도를 가지는 소각장(120)에서 소각이 이루어지도록 한다. 이때 얻어지는 열에너지는 지역난방이나 발전 등에 사용할 수 있게 된다.

슬러지 건조과정에서 발생되는 악취는 상당부분 가연성가스를 포함하고 있으므로 이를 소각로에 연결파이프 등을 이용하여 공급하여 악취로 인한 환경오염을 방지할 수 있다. 본 발명의 시스템을 이루는 요소들은 일종의 모듈화를 이룰 수 있으며, 단위시스템들을 클러스터로 하여 운영하는 것도 바람직하다.

이상에서는 한정된 실시예들을 통해 본 발명을 설명하고 있으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 설명된 것일 뿐 본원 발명은 이들 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 당해 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명을 토대로 다양한 변경이나 응용예를 실시할 수 있을 것이며 이러한 변형례나 응용예는 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

10: 하수처리설비 11: 포기조
13: 포기 후 침전조 15: 농축조
17: 소화조 19: 탈수기
21, 43: 열교환기
30: 히트펌프설비 31: 팽창변
33: 증발기 35: 압축기
37: 응축기 40: 열교환설비
41: 순환배관 45: 보일러
47: 건조용 히터 50: 태양열 집열기
60: 건조공간 65: 이송장치
70: 혼합기 80: (고열량물질) 공급장치
90: 성형기 120: 소각장

Claims (5)

1. 포기조(생물반응조), 포기 후 침전조, 소화조 및 탈수기를 가지는 하수처리설비,
   열 매체가 채워진 순환배관을 구비하는 열교환설비,
   상기 포기 후 침전조 혹은 그 후속 하수처리공간에서 하수로부터 열을 획득하고 상기 순환배관과 열교환을 통해 열 매체를 가열할 수 있는 히트펌프설비,
   상기 소화조에서 발생한 가열성가스를 연소시켜 상기 순환배관과 열교환을 통해 열 매체를 가열할 수 있는 보일러,
   상기 열 매체의 열을 건조공간에서 슬러지(하수슬러지)에게 전달하여 상기 슬러지를 건조시킬 수 있는 가열용 히터
   상기 슬러지를 이송하여 상기 건조공간으로 투입 및 반출되도록 하면서 상기 가열용 히터로부터 열을 받아 상기 슬러지의 건조가 이루어질 수 있도록 하는 이송장치,
   음식물 쓰레기, 폐합성수지, 목분 가운데 적어도 하나를 포함하는 고열량물질을 공급하는 공급장치,
   상기 이송장치로부터 상기 슬러지를 공급받고 상기 공급장치로부터 상기 고열량물질을 공급받아 혼합하는 혼합기,
   혼합된 슬러지 및 고열량물질을 성형하는 성형기를 구비하여 이루어지며,
   상기 혼합기에 고열량물질을 공급하는 공급장치는 음식물쓰레기 공급장치, 폐합성수지 공급장치, 목분 공급장치를 조합하여 임의의 조성비로 공급할 수 있도록 이루어지고,
   음식물쓰레기가 포함되는 고형연료를 소각하기 위한 850℃ 내지 950℃의 소각로 온도를 가지는 소각장치가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 하수슬러지 처리 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 열교환설비의 열 매체 혹은 내부 순환수에 태양열을 전달하도록 설치된 태양열 집열기가 더 구비되고,
   상기 태양열 집열기는 상기 열교환설비의 내부 순환수의 흐름 순서상 상기 히트펌프설비와 열교환이 이루어지는 위치 다음이면서 상기 보일러와 열 교환이 이루어지는 위치 전에 설치되는 것을 특징으로 하는 하수슬러지 처리 시스템.
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